行之愈笃，知之益明*——初中化学开展跨学科实践活动的探索

柯志超 黄丹青

（1.福州第三十二中学 福建 福州 350011；2.福建省普通教育教学研究室 福建 福州 350003）

《义务教育化学课程标准（2022版）》（以下简称义教课标2022年版）指明：化学是引导学生从化学视角认识物质世界的“一门自然科学课程”，倡导学生“做中学”“用中学”“创中学”。［1］义教课标2022年版优化了课程内容结构，在所有的五个学习主题中都明确了学生需要经历的实践活动，其中备受关注的是在新增的“化学与社会发展·跨学科实践”学习主题中，设计了系列跨学科实践活动，关注学科间的相互关联，强化实践性，凸显义务教育阶段化学课程的全面育人价值。“如果把知识点比作建筑所用的‘砖’，学科知识结构就是‘房子’，学生的认知结构就是需要学生经历活动而构建知识结构的‘家’”（郭华，2022），而跨学科实践活动就是能让学生留下生命活动印记，建设有温度的“家”的有效路径。

一、跨学科实践活动的整体思路及构成要素

行是知之始，知是行之成。跨学科实践活动是基于科学、人文知识的系列认知的、社会的和行为的探究活动，不仅承载不同学科的独特素养发展功能，更侧重从科学方法论和价值观的视角，关注探究过程中产生知识的具体活动，如提出问题，建立和使用模型，设计和实施调查研究，分析和解释数据，利用数学和计算思维建构解释，基于证据进行论证、获取、评估和交流信息。［2］因此，笔者依据义教课标2022年版的教学要求，统筹兼顾，精选对学生终身发展有价值的教学内容，进行跨学科实践活动的整体设计，如图1 所示。

图1 跨学科实践活动整体设计思路

以“汽车燃料变迁”为例，设计并开展指向核心素养的跨学科实践活动。该活动承载了初中化学学科中核心知识（如物质的组成和分类、物质燃烧及物质燃烧的条件、物质的性质和变化、能量转化、新能源等）的理解和掌握，并融合历史、物理、工程技术与信息技术等多学科课程中的相关内容，从不同时期汽车燃料的使用角度，创设具体问题情境，从燃料、能量、变化多维度建构认知视角，结合“煤的干馏”“石油分馏”的实验探究以及汽油机、柴油机工作原理的异同分析，进一步理解物质燃烧的条件、物质（或能量）的转化原理，同时运用比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法，基于事实进行证据推理、建构模型的科学思维能力，在解决真实问题的过程中形成质疑能力、批判能力和创新意识，并引导学生从新的认知视角初步认识化学学科的社会价值，树立物质及其变化、绿色化学的基本观念，建构“可持续发展”等跨学科大概念。教学模型设计如图2所示。

图2 “汽车燃料变迁”跨学科实践活动的教学模型

二、跨学科实践活动的路径探索——以“汽车燃料变迁”为例

该项目活动的实施需要3-4 课时。通过三个核心活动，让学生经历完整的问题解决过程。

任务一：自主搭建问题框架，初步制定活动方案

为促进学生理解核心知识，培育核心素养，笔者根据学生身心发展特征，诱思激趣，围绕“汽车燃料是如何变迁的”创设真实的情境，引导学生通过调查研究，查阅、收集相关资料，提出系列问题，小组讨论、分析、补充和完善，搭建问题框架，如图3所示。

图3 “汽车燃料变迁”问题框架

任务二：追寻汽车燃料变迁的历史，寻求解决问题的途径

循着问题线索，引导学生从历史维度探究不同时期的汽车燃料发展过程，涉及十八世纪以煤为燃料的蒸汽机（外燃机）汽车；十九世纪以汽油、柴油为燃料的内燃机汽车；二十世纪以甲烷、醇类等为代用燃料［3］的汽车；二十一世纪低碳、环保的绿色新能源电动汽车；最后展望未来汽车。学生依据各自关注点，通过查找资料，分别以知识树的形式做出自己想要了解的内容框架，如图4所示。

图4 学生制作的内容框架

师生充分讨论后，融合集体意见，共同完善汽车燃料变迁发展树，如图5所示。

图5 “汽车燃料变迁”的发展史

任务三：系统设计具体措施，探寻汽车燃料变迁和发展

沿着汽车燃料发展的时间轴，学生们集思广益，设计了以下探究过程，具体环节如下：

【环节1】激趣：世界上第一辆汽车是什么样子的？

（1）演示：在试管中加少量水，塞紧活塞并持续加热，学生观察实验现象，感受能量的转化过程。

（2）设疑：播放蒸汽机汽车工作视频，引导学生思考其燃料如何为汽车提供动力？

（3）反思：瓦特发明的蒸汽机汽车最终没有问世，它存在哪些不足？

设计意图：通过设计实验，再现学生熟悉的实验现象（水蒸气使试管活塞冲出），再通过播放蒸汽机汽车工作视频诱思激趣，并引发知识迁移，认识世界上第一部汽车（蒸汽机汽车）所使用的燃料，理解蒸汽机汽车的工作原理（煤燃烧使水变成水蒸气，大量水蒸气推动气缸活塞做功）及其能量转化原理（化学能→热能→机械能），了解相关物质的性质、类别、转化及应用，培养学生提出科学问题，以及从辩证视角分析具体问题的能力。

【环节2】探究：第一代、第二代内燃机汽车的燃料及汽车工作原理。

（1）阅读：查找资料，了解第一代、第二代内燃机汽车所使用的燃料。

（2）讨论：内燃机与外燃机（蒸汽机）的主要区别。

（3）设疑：煤是复杂的混合物，煤是怎么形成的？什么是煤的干馏？煤干馏后的产物是纯净物还是混合物？从煤含有的主要元素中可推测煤直接燃烧的产物中主要含有哪些物质？是否对空气造成污染？

（4）反思：布袋汽车是中国60年代的煤气内燃机汽车，［4］查找资料，说明布袋汽车没有普及的原因。

（5）拓展：

①观看“柴油机与汽油机的构造”视频。分析汽油机与柴油机的点火方式有何不同？点火方式的不同与燃烧的哪个条件有关？为何柴油机的动力比汽油机强？第二代内燃机汽车工作时，能量是如何转换的？

②观看“石油的分馏”实验视频，分析如何从石油中得到汽油和柴油？碎瓷片的作用是什么？冷凝管的进水口是哪一端？得到的汽油、柴油是纯净物还是混合物？

（6）交流：学生展示绘制的“中国石油工业发展史”知识树，结合国际形势分享个人观点。

设计意图：围绕物质的分类、燃烧、物质和能量转化等核心知识展开问题探究。通过煤及煤的干馏产物的分析，从元素守恒角度推断物质的种类，加强对物质种类判断及燃烧产物的分析；从内燃机与外燃机的比较，渗透跨学科知识（如机械能效等）；从煤的干馏、石油的分馏、汽油机和柴油机的工作原理等展开实验探究，结合物理、化学学科知识理解汽油机、柴油机工作原理，感受科学原理在分析问题、解决问题中的重要作用，进一步让学生认识燃烧的条件、物质和能量的转化；了解直接燃烧化石燃料导致的环境污染和资源浪费问题，培养学生形成珍惜资源、保护环境的化学观念；从能量转化、工程技术方面分析中国布袋汽车没有普及的原因，培养学生的科学思维；通过了解中国石油工业发展史，学习中国石油工人不服输的精神品质，树立科学发展观。

【环节3】展望：汽车的替代燃料、未来汽车燃料。

（1）播放“三次石油危机”视频。思考：石油危机的爆发，全球掀起开发汽车替代燃料的热潮，你知道的替代燃料有哪些？在你的身边有使用替代燃料的汽车吗？根据你查阅的资料分析，这些替代燃料有哪些优点与不足？

（2）分别写出天然气、乙醇燃烧的化学方程式。想一想：为什么我们称甲烷为清洁能源？

（3）展示我市车流量大的街道车流视频片段。观察并思考：道路上有几种颜色的车牌？不同颜色车牌的汽车所使用的燃料有何不同？绿牌车的能源有哪些？电动汽车有哪些优点？

（4）为了顺应国际形势，中国争取实现“碳达峰”（2030年）和“碳中和”（2060年）目标，由此汽车业也应发生重大变革。你知道什么是“碳达峰”和“碳中和”？你认为未来汽车应该用什么做燃料？

设计意图：通过问题驱动认识汽车燃料的发展和变迁，进一步培养学生元素守恒、能量转化、物质分类及物质性质决定用途等观念，增强学生的科学实践能力和团队合作意识；通过引导学生在问题解决的过程（如分析不同颜色车牌的原因，燃料燃烧的优缺点等）中对不同信息、观点和结论大胆提出个人见解，培养学生的科学思维；通过国际形势分析，理解“碳中和”和“碳达峰”的意义，明白节能减排、低碳行动，保护地球环境的重要性和开发新能源汽车的紧迫性，认识汽车能源变迁的意义；通过实践活动，体验问题解决的过程和方法，引导学生从化学视角分析能源、环境等实际问题，培养科学探究和实践能力；通过渗透绿色化学思想，体会化学学科对促进社会可持续发展的重要价值，培养科学态度与社会责任。

三、开展跨学科实践活动的反思

1.活动设计：循序渐进，着眼发展

调研发现，很多教师不理解义教课标2022年版倡导开展跨学科实践活动的意义，认为跨学科实践活动费时费力，教学效益低。殊不知探究和实践之“火之燎于原，不可向迩”，在实践中习得的又岂止是知识本身。基于核心素养导向的要求，活动项目设计应具有发展性，活动内容的选择应依据学情循序渐进，致力于核心知识的融会贯通、学以致用，以及关键能力培养和必备品格的提升。教师可以根据某个主题内容创设与现实相结合的探究情境，建立理论、概念和元素化合物知识联结的思维认知方式，学会基于证据推理、辩证分析，解释相关现象和事实，研究物质及其变化规律的思路和方法，进行思维建模，并做出合理的价值判断；可以融合多个主题内容，引导学生通过体验式活动，运用已有化学知识、化学观念、科学思维以“宏观—微观—符号”三重表征的方式探究物质及其变化规律，尝试解决一些与化学相关的生产、生活和社会问题，还可以融合多学科知识，探讨社会性科学议题，从化学和科学、技术、社会、环境之间的相互关系视角，认识环境保护、食品安全、公共卫生等法律法规对促进人类文明和社会可持续发展的重要性。

2.任务推进：行之愈笃，知之益明

基于学习任务的推进开展跨学科实践活动，关注“知识点”→“学科知识结构”→“学生认知结构”的转化，用创新思维去重构教育生态，“随风潜入夜，润物细无声”，引发学生对认知客体由“感知”到“感受”再到“感悟”，培养学生的科学思维和科学态度，探索、发现通往未来的路径。其中，由问题链组成的学习任务是连接大概念、核心概念与具体知识点的桥梁和纽带，是知识的素养发展价值的具体体现，［1］实践活动不仅仅是一系列知识的集合体，还蕴含着学科思想和观念的集合。因此，基于学习任务的活动设计应突出科学问题的呈现方式和学生认识的进阶性，实现“以学习者为中心”和“以能力中心”的教学模式，遵循科学思维的层级递进步骤，以层阶式任务驱动的方式激活学生已有的经验、寻找解决问题的路径、系统设计具体措施，引发学生基于事实和逻辑进行独立思考与判断，自我反思、质疑与批判，在探究中学习，在学习中探究。

3.项目评价：减负增值，有的放矢

基于学科理解抽提大概念及其认识视角，科学设计实践活动评价工具。通过观察、记录和分析学生在实践活动中的表现，对学生的知识理解和应用水平、学习态度、合作精神、实验探究能力、创新意识、分析问题的思路以及表达交流技能等进行质性评价或量化评价，即指向学生的观念、知识、思维、实践能力和价值立场等的综合考量，全面了解学生的学习过程和实践经历，同时注重提高学生自我评价、自我反思的能力，激励并引导学生合理运用评价结果改进学习，促进其在原有水平上的发展。例如：在“探讨汽车燃料变迁——自主搭建问题框架”环节，教师适时评价学生提出问题和质疑的能力，不仅包含学生对问题的表述是否明确和具体，更关注问题的性质，即提出的问题是否具有一定的科学性，是否运用了已有知识，同时观察学生能否将知识与生产、生活实际相结合，揭示出问题与所学知识之间的矛盾等；在“展望未来汽车燃料”的环节，教师观察并评价学生分析与论证的能力，如对数据和现象的分析处理能力，包含正确运用表格、图像等方法处理信息，运用所学知识分析现象的表现，并观察他们对假设所依据的事实或证据的可靠性进行初步论证的能力和水平。评价学生对结论的描述和解释的合理性，包含能否概括、精炼地陈述结论成立的条件，能否比较探究结论和探究假设的关联性，能否根据观察到的现象（或取得的数据）推出合理结论，观察学生解释结论的逻辑是否正确、严密，能否建立所学知识与环境保护、资源利用、能源开发等方面的关联。